煤炭专家揭秘为何中国地下煤火百年不熄

地下煤火

　　本报记者 刘扬

　　上月底，一篇名为《内蒙古乌达煤火自燃50年，灭火不成反酿灾难》的报道将地下煤火引入公众视线。中国的地下煤火已经燃烧了上百年，某国外媒体评出的全球五大持续生态灾难，中国煤火赫然上榜。是什么原因引发煤田大面积起火？地火又为什么如此难以熄灭？

　　红色的土壤，酥脆的岩石，大地笼罩着白烟，到了晚上可以看到地面飘着红红的小火苗。在中国新疆、内蒙古等北方矿区，常常可以看到这样的景象，这就是地下煤火。燃烧着或曾经燃烧的火区，目前中国有56处，面积约720平方公里，其中正在燃烧的火区面积有17至20平方公里，每年烧掉煤炭资源约1000余万吨。

　　熊熊地火，从明清时期开始，有的已燃烧了上百年，浪费了大量宝贵的煤炭资源。煤炭好端端地躺在地下怎么会自燃呢？

　　从事煤矿安全研究工作40多年的煤炭专家卢鉴章为记者揭开了谜底。

　　地火自燃缘于煤氧相遇

　　地火，亦称地下煤火，是指埋藏在地下的煤层燃烧，并逐步蔓延发展形成规模较大的煤田火灾，煤炭专业术语称“煤炭自然发火”。

　　煤炭自然发火的机理说法较多，业内比较公认的是“煤氧复合作用学说”。按照这一学说，煤在自然环境中与空气接触，吸附氧气并产生氧化作用，氧化产生的热量使煤炭逐渐升温，当煤层中产生的热量大于散发的热量时，开始聚热增温。煤炭明显升温的特征值，一般认为在60℃至80℃之间。这一阶段煤的热效应明显，并开始出现干馏反应，生成芳香族碳氢化合物和一氧化碳等可燃性气体。

　　当温度继续升高，外在、内在水分蒸发，热解作用加速进行，煤开始出现冒烟现象，当升温达到煤自燃临界值时，就开始着火了。这一阶段除温度升高外，还会生成一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等气体。

　　从“煤氧复合作用”机理可以看出，地下煤火的发生是不是和空气接触有着密切的关系呢？“是的，”卢鉴章肯定了记者的猜测，“地下煤火多发生在煤层的露头位置，也就是接触空气的位置。此外，煤矿井下的采空区，‘煤柱’部分因矿压而形成很多裂隙，空气容易进入，也是煤易自燃的地方。”

　　唐清时代地火一烧百年

　　卢鉴章介绍，我国北方地下煤火按发火时间可分为史前火、唐清火和现代火。史前火发生在地质历史时期，它是地质构造运动或古气候等自然因素作用而引起的，常分布于区域性大断裂附近或煤层露头处，现在早已熄灭。

　　唐清火发生于古代和近代。据记载，我国从唐朝开始采煤行业，但直至清朝采煤工艺一直发展缓慢，只能开采近地表的煤层，矿井很浅，为煤火发育提供了条件。这段时期，在气候及人为作用下引发了许多煤火，其中一部分已经熄灭，而埋深较浅的近水平煤层，煤火则继续燃烧。

　　现代火形成于现代，主要由煤层自燃和人为两方面原因引起。人为原因主要是上世纪50年代末以来乱采乱挖，也有少数埋深较浅的煤层燃烧与开采方法有关，如内蒙古乌达煤田的“长壁式”开采方式，开采范围大，采空区地表塌陷严重，煤层上覆岩层又薄，很容易形成裂隙，令煤矿与地表沟通，成为漏风供氧的主要通道，为采空区自然发火创造了条件。

　　开采火煤危险异常

　　地火能不能熄灭？答案是肯定的。

　　从上世纪80年代开始，我国地下煤火的灭火工作就被提上日程，1992年，我国颁布了世界第一部《煤田火灾灭火规范(试行)》，对地下煤火灭火设计及施工以及熄灭的技术标准等作了具体规定。

　　熄灭地火最直接的方法是用水灭火和在地火发生初期挖除火源。水和黄泥混合的泥浆是很好的灭火材料，泥浆可以堵塞通风管路，水传递黄泥到达一定的位置，水分干了，就地堵塞，窒息火灾。新疆治理地火主要采取的就是注水、注浆、挖除火源和沙土覆盖等方法，先后扑灭了哈密大南湖、艾维沟、铁厂沟、奇台北山、阜康白杨河等火区的地火。

　　一些地火被成功扑灭，但还有一些仍在燃烧。前段时间，有媒体报道乌达煤田火区多年没有熄灭，原因是承包灭火工作的企业私下开采火煤。对此，卢鉴章认为，开采正在燃烧的煤炭非常危险，绝对不能这么干，但不排除人为开采过火煤层之下煤炭的可能。而地下煤火熄灭之后，如果开采过火层之下的煤层，导致空气进入，是很容易引起上层煤火复燃的。

　　预报地火可以实现

　　地火可以熄灭，它能不能预警预报呢？答案同样是肯定的。

　　如果在煤矿井下看到水蒸气凝聚在煤壁上，形成水珠，俗曰“煤壁出汗”，或者嗅到煤油味、汽油味、松节油味或焦油味，都是煤田自燃的外部征兆。

　　但是这些现象出现的时候，往往地下煤火已经开始燃烧。如何在地火发生之前监测到它呢？卢鉴章说，可以通过人工取样，也可以在井下安装束管系统，定期抽取矿区气体样品，进行化验分析。

　　煤在自燃过程中会在不同的阶段产生一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等气体，通过对煤炭释放气体分析，可以判断煤炭是否自燃以及自燃的程度，采取预防措施防止大面积地下煤火的发生。

　　有了治理措施和监控措施，中国地下煤火正在减少，并将继续减少。迄今为止，仅新疆一地，已经有7个重大火区、8个一般火区地火熄灭，300亿吨煤炭资源得以保护。

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　　熄灭地火研究新方法

　　国外正在研究熄灭地火的新方法，一种是用航空发动机的排气形成没有氧气的惰性气体进入煤层空间，长时间的惰性化有助于防止煤层自燃。这些气体不可燃，不增加氧气供给，可以达到窒息缓燃的效果，但需要长时间运行，还需要随时监控地下的漏气状况。还有一种方法是用抗热型的含氮泡沫，把地下空间迅速填满，固定空气，防止流动，燃烧没有氧气，地火就熄灭了。